Der Common-Emitter-Verstärker

Common-Emitter-Verstärker vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v (1,0) i(v1) .end 

Signal am Kollektor aufgrund fehlender DC-Basisvorspannung abgeschnitten.

Die Simulation zeichnet sowohl die Eingangsspannung (ein Wechselstromsignal mit einer Spitzenamplitude von 1,5 Volt und einer Frequenz von 2000 Hz) als auch den Strom durch die 15-Volt-Batterie auf, der dem Strom durch den Lautsprecher entspricht. Was wir hier sehen, ist eine volle AC-Sinuswelle, die sowohl in positive als auch in negative Richtung wechselt, und eine Halbwellen-Ausgangsstromwellenform, die nur in eine Richtung pulsiert. Würden wir einen Lautsprecher mit dieser Wellenform ansteuern, wäre der erzeugte Klang verzerrt.

Was ist an der Schaltung falsch? Warum wird die gesamte AC-Wellenform des Mikrofons nicht originalgetreu reproduziert? Die Antwort auf diese Frage ergibt sich bei genauer Betrachtung des Transistordioden-Stromquellenmodells in der Abbildung unten.

Das Modell zeigt, dass der Basisstrom in eine Richtung fließt.

Der Kollektorstrom wird durch den Konstantstrommechanismus entsprechend der Geschwindigkeit gesteuert oder geregelt, die durch den Strom durch die Basis-Emitter-Diode eingestellt wird. Beachten Sie, dass beide Strompfade durch den Transistor monodirektional sind:nur in eine Richtung! Trotz unserer Absicht, den Transistor zu verwenden, um einen Wechselstrom zu verstärken Signal, es ist im Wesentlichen ein DC Gerät, das Ströme in einer einzigen Richtung verarbeiten kann. Wir können ein Wechselspannungseingangssignal zwischen der Basis und dem Emitter anlegen, aber während des Teils des Zyklus, der den Basis-Emitter-Diodenübergang in Sperrrichtung vorspannt, kann kein Strom in dieser Schaltung fließen. Daher bleibt der Transistor während dieses Abschnitts des Zyklus im Sperrmodus. Es wird in seinem aktiven Modus nur dann "eingeschaltet", wenn die Eingangsspannung die richtige Polarität hat, um die Basis-Emitter-Diode in Durchlassrichtung vorzuspannen, und nur wenn diese Spannung hoch genug ist, um den Durchlassspannungsabfall der Diode zu überwinden. Denken Sie daran, dass Bipolartransistoren stromgesteuerte Geräte sind :Sie regulieren den Kollektorstrom basierend auf der Existenz eines Basis-Emitter-Stroms , nicht Basis-Emitter Spannung .

Die einzige Möglichkeit, den Transistor dazu zu bringen, die gesamte Wellenform als den Strom durch den Lautsprecher zu reproduzieren, besteht darin, den Transistor die ganze Zeit im aktiven Modus zu halten. Dies bedeutet, dass wir während des gesamten Eingangswellenformzyklus den Strom durch die Basis aufrechterhalten müssen. Folglich muss der Basis-Emitter-Diodenübergang jederzeit in Durchlassrichtung vorgespannt bleiben. Glücklicherweise kann dies mit einer DC-Vorspannung . erreicht werden dem Eingangssignal hinzugefügt. Durch Anschließen einer ausreichenden Gleichspannung in Reihe mit der Wechselstromsignalquelle kann die Vorwärtsspannung an allen Punkten während des Wellenzyklus aufrechterhalten werden. (Abbildung unten)

Vbias hält den Transistor im aktiven Bereich.

Common-Emitter-Verstärker vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Unverzerrter Ausgangsstrom I(v(1) aufgrund von Vbias

Mit der Vorspannungsquelle von 2,3 Volt bleibt der Transistor während des gesamten Wellenzyklus in seinem aktiven Modus und gibt die Wellenform am Lautsprecher getreu wieder. Beachten Sie, dass die Eingangsspannung (gemessen zwischen Knoten 1 und 0) zwischen etwa 0,8 Volt und 3,8 Volt schwankt, eine Spitze-Spitze-Spannung von 3 Volt wie erwartet (Quellenspannung =1,5 Volt Spitze). Der Ausgangsstrom (Lautsprecher) variiert zwischen null und fast 300 mA, um 180° phasenverschoben zum Eingangssignal (Mikrofon).

Die Abbildung in der Abbildung unten ist eine weitere Ansicht derselben Schaltung, diesmal mit einigen Oszilloskopen („Scopemeter“), die an entscheidenden Stellen angeschlossen sind, um alle relevanten Signale anzuzeigen.

Die Eingabe ist an der Basis nach oben vorgespannt. Ausgang ist invertiert.

Voreingenommenheit

Die Notwendigkeit, eine Transistorverstärkerschaltung vorzuspannen, um eine Vollwellenform-Wiedergabe zu erzielen, ist ein wichtiger Aspekt . Ein eigener Abschnitt dieses Kapitels wird sich ausschließlich dem Thema Biasing und Biasing-Techniken widmen. Für den Moment reicht es zu verstehen, dass eine Vorspannung für die richtige Spannungs- und Stromausgabe des Verstärkers erforderlich sein kann.

Da wir nun eine funktionierende Verstärkerschaltung haben, können wir deren Spannungs-, Strom- und Leistungsverstärkungen untersuchen. Der in diesen SPICE-Analysen verwendete generische Transistor hat ein β von 100, wie aus dem kurzen Ausdruck der Transistorstatistiken hervorgeht, der in der Textausgabe in der folgenden Tabelle enthalten ist (diese Statistiken wurden der Kürze halber aus den letzten beiden Analysen herausgeschnitten).

BJT SPICE-Modellparameter.

Typ npn ist 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000

β wird unter der Abkürzung „bf“ aufgeführt, die eigentlich für „beta, forward“ steht . Wenn wir unser eigenes β-Verhältnis zur Analyse einfügen wollten, hätten wir dies in der .model-Linie der SPICE-Netzliste tun können.

Da β das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom ist und wir unsere Last in Reihe mit dem Kollektoranschluss des Transistors und unsere Quelle in Reihe mit der Basis geschaltet haben, ist das Verhältnis von Ausgangsstrom zu Eingangsstrom gleich Beta. Daher beträgt unsere Stromverstärkung für diesen Beispielverstärker 100 oder 40 dB.

Spannungsverstärkung

Die Spannungsverstärkung ist für diese Schaltung etwas komplizierter zu berechnen als die Stromverstärkung. Wie immer ist die Spannungsverstärkung definiert als das Verhältnis der Ausgangsspannung geteilt durch die Eingangsspannung. Um dies experimentell zu bestimmen, modifizieren wir unsere letzte SPICE-Analyse, um die Ausgangsspannung anstelle des Ausgangsstroms darzustellen, sodass wir in der folgenden Abbildung zwei Spannungsdiagramme zum Vergleich haben.

Common-Emitter-Verstärker vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

V(3), die Ausgangsspannung über r spkr , verglichen mit der Eingabe.

Auf der gleichen Skala (von 0 bis 4 Volt) aufgetragen, sehen wir, dass die Ausgangswellenform in der obigen Abbildung eine kleinere Spitze-zu-Spitze-Amplitude als die Eingangswellenform hat, zusätzlich zu einer niedrigeren Vorspannung, nicht erhöht von 0 Volt wie der Eingang. Da die Spannungsverstärkung für einen AC-Verstärker durch das Verhältnis der AC-Amplituden definiert wird, können wir jegliche DC-Vorspannung, die die beiden Wellenformen trennt, ignorieren. Trotzdem ist die Eingangswellenform immer noch größer als die Ausgabe, was uns sagt, dass die Spannungsverstärkung kleiner als 1 ist (eine negative dB-Zahl).

Niedrige Spannungsverstärkung ist nicht charakteristisch für alle Common-Emitter-Verstärker. Dies ist eine Folge der großen Disparität zwischen den Eingangs- und Lastwiderständen. Der Eingangswiderstand (R1) beträgt hier 1000 , während die Last (Lautsprecher) nur 8 beträgt. Da die Stromverstärkung dieses Verstärkers ausschließlich durch das β des Transistors bestimmt wird und dieser β-Wert fest ist, ändert sich die Stromverstärkung für diesen Verstärker nicht bei Variationen in diesen Widerständen. Die Spannungsverstärkung ist jedoch ist abhängig von diesen Widerständen. Wenn wir den Lastwiderstand ändern, um ihn auf einen größeren Wert zu setzen, fällt eine proportional größere Spannung für seinen Laststrombereich ab, was zu einer größeren Ausgangswellenform führt. Versuchen Sie eine andere Simulation, diesmal jedoch mit einer Last von 30 Ω in der Abbildung unten anstelle einer Last von 8 Ω.

Common-Emitter-Verstärker vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

Erhöhung von r_spkr auf 30 Ω erhöht die Ausgangsspannung

Diesmal hat die Wellenform der Ausgangsspannung in der obigen Abbildung eine deutlich größere Amplitude als die der Eingangswellenform. Wenn wir genau hinschauen, können wir sehen, dass die Ausgangswellenform zwischen 0 und etwa 9 Volt liegt:ungefähr das Dreifache der Amplitude der Eingangsspannung.

Wir können eine weitere Computeranalyse dieser Schaltung durchführen und SPICE dieses Mal anweisen, sie aus AC-Sicht zu analysieren, wodurch wir Spitzenspannungswerte für Eingang und Ausgang anstelle einer zeitbasierten Darstellung der Wellenformen erhalten. (Tabelle unten)

SPICE-Netzliste zum Drucken von AC-Eingangs- und Ausgangsspannungen.

 Verstärker mit gemeinsamem Emitter vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v( 1,0) v(4,3) .Endfrequenz v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Spitzenspannungsmessungen von Eingang und Ausgang zeigen einen Eingang von 1,5 Volt und einen Ausgang von 4,418 Volt. Dies ergibt ein Spannungsverstärkungsverhältnis von 2,9453 (4,418 V / 1,5 V) oder 9,3827 dB.

Auflösen nach der Spannungsverstärkung:

Da die Stromverstärkung des Common-Emitter-Verstärkers durch β festgelegt ist und die Eingangs- und Ausgangsspannung gleich den Eingangs- und Ausgangsströmen multipliziert mit ihren jeweiligen Widerständen sind, können wir eine Gleichung für die ungefähre Spannungsverstärkung herleiten:

Wie Sie sehen, liegen die vorhergesagten Ergebnisse für die Spannungsverstärkung ziemlich nahe an den simulierten Ergebnissen. Bei einem perfekt linearen Transistorverhalten würden die beiden Zahlensätze genau übereinstimmen. SPICE berücksichtigt in seiner Analyse die vielen „Macken“ der Bipolartransistorfunktion vernünftigerweise, daher die geringfügige Abweichung der Spannungsverstärkung basierend auf der Ausgabe von SPICE.

Diese Spannungsverstärkungen bleiben gleich, unabhängig davon, wo wir die Ausgangsspannung in der Schaltung messen:über Kollektor und Emitter oder den Reihenlastwiderstand, wie wir es in der letzten Analyse getan haben. Die Höhe der Ausgangsspannung ändern für jede gegebene Eingangsspannung bleibt gleich. Betrachten Sie die beiden folgenden SPICE-Analysen als Beweis dafür. Die erste Simulation in der Abbildung unten ist zeitbasiert, um ein Diagramm der Eingangs- und Ausgangsspannungen bereitzustellen. Sie werden feststellen, dass die beiden Signale um 180o phasenverschoben sind. Die zweite Simulation in der folgenden Tabelle ist eine AC-Analyse, um einfache Spitzenspannungsmesswerte für Eingang und Ausgang bereitzustellen.

Common-Emitter-Verstärker vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74 m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end 

Common-Emitter-Verstärker zeigt eine Spannungsverstärkung mit R_spkr =30Ω SPICE-Netzliste für AC-Analyse

 Verstärker mit gemeinsamem Emitter vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v( 1,0) v(3,0) .Endfrequenz v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Wir haben immer noch eine Spitzenausgangsspannung von 4,418 Volt bei einer Spitzeneingangsspannung von 1,5 Volt.

Bisher haben die in diesem Abschnitt gezeigten Beispielschaltungen alle NPN-Transistoren verwendet. PNP-Transistoren sind genauso gültig wie NPN in jedem Verstärkerkonfiguration, solange die richtige Polarität und Stromrichtung beibehalten werden, und der Verstärker mit gemeinsamem Emitter ist keine Ausnahme. Die Ausgangsinversion und Verstärkung eines PNP-Transistorverstärkers sind die gleichen wie bei seinem NPN-Gegenstück, nur die Batteriepolaritäten sind unterschiedlich.

PNP-Version des Common-Emitter-Verstärkers.

RÜCKBLICK:

• Common-Emitter Transistorverstärker werden so genannt, weil sich die Eingangs- und Ausgangsspannungspunkte die Emitterleitung des Transistors gemeinsam teilen, ohne Berücksichtigung von Netzteilen.
• Transistoren sind im Wesentlichen Gleichstromgeräte:Sie können Spannungen oder Ströme, die die Richtung umkehren, nicht direkt verarbeiten. Damit sie zum Verstärken von Wechselstromsignalen funktionieren, muss das Eingangssignal mit einer Gleichspannung versetzt werden, um den Transistor während des gesamten Zyklus der Welle in seinem aktiven Modus zu halten. Dies nennt man Voreingenommenheit .
• Wenn die Ausgangsspannung zwischen Emitter und Kollektor an einem Verstärker mit gemeinsamem Emitter gemessen wird, ist sie um 180° phasenverschoben zur Wellenform der Eingangsspannung. Daher wird der Verstärker mit gemeinsamem Emitter als invertieren bezeichnet Verstärkerschaltung.
• Die Stromverstärkung eines Emitter-Transistorverstärkers mit in Reihe mit dem Kollektor geschalteter Last ist gleich β. Die Spannungsverstärkung eines Emitter-Transistorverstärkers ist ungefähr hier angegeben:

• Wobei „Rout“ der mit dem Kollektor in Reihe geschaltete Widerstand und „Rin“ der mit der Basis in Reihe geschaltete Widerstand ist.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Klasse-A-BJT-Verstärker